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Ejemplo de análisis con pandas, geopandas y folium

Se presenta un ejemplo de análisis reproducible de datos geoespaciales: la distribución de especies de murciélagos en áreas silvestres protegidas (ASP) de Costa Rica.

Las salidas se presentan en tres formatos:

• Tabular

• Gráfica

• Geoespacial

El ćodigo fuente de este ejercicio está disponible en https://github.com/pf3311-cienciadatosgeoespaciales/2021-iii/blob/main/contenido/b/ejemplo-analisis-pandas-geopandas-folium.ipynb y las salidas puede ser visualizadas en https://nbviewer.org/github/pf3311-cienciadatosgeoespaciales/2021-iii/blob/main/contenido/b/ejemplo-analisis-pandas-geopandas-folium.ipynb.

Entradas

Registros de presencia de murciélagos

Provienen de una consulta al portal de la Infraestructura Mundial de Información en Biodiversidad (GBIF).

Para efectos de este análisis, están disponibles en https://raw.githubusercontent.com/pf3311-cienciadatosgeoespaciales/2021-iii/main/contenido/b/datos/murcielagos.csv.

Polígonos de áreas silvestres protegidas (ASP)

Fueron publicados por el Sistema Nacional de Áreas de Conservación (Sinac) a través del Sistema Nacional de Información Territorial (SNIT), en http://geos1pne.sirefor.go.cr/wfs?.

Para efectos de este análisis, están disponibles en https://github.com/pf3311-cienciadatosgeoespaciales/2021-iii/blob/main/contenido/b/datos/asp.geojson.

Procesamiento

import math

import pandas as pd

import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline

import geopandas as gpd

import folium
from folium import Marker
from folium.plugins import MarkerCluster
from folium.plugins import HeatMap

Lectura de datos

Registros de presencia de murciélagos

# Carga de registros de presencia de murciélagos en un dataframe de pandas

murcielagos = pd.read_csv("https://raw.githubusercontent.com/pf3311-cienciadatosgeoespaciales/2021-iii/main/contenido/b/datos/murcielagos.csv", 
                          sep="\t")

murcielagos

	gbifID	datasetKey	occurrenceID	kingdom	phylum	class	order	family	genus	species	...	identifiedBy	dateIdentified	license	rightsHolder	recordedBy	typeStatus	establishmentMeans	lastInterpreted	mediaType	issue
0	3416142999	50c9509d-22c7-4a22-a47d-8c48425ef4a7	https://www.inaturalist.org/observations/10118...	Animalia	Chordata	Mammalia	Chiroptera	Vespertilionidae	Rhogeessa	Rhogeessa io	...	Yuzefovich Alexander	2021-11-15T14:33:49	CC_BY_NC_4_0	jo22nfrog	jo22nfrog	NaN	NaN	2021-12-08T05:34:32.772Z	StillImage	COORDINATE_ROUNDED
1	3416092578	50c9509d-22c7-4a22-a47d-8c48425ef4a7	https://www.inaturalist.org/observations/10131...	Animalia	Chordata	Mammalia	Chiroptera	Phyllostomidae	Uroderma	Uroderma bilobatum	...	Merav Vonshak	2021-11-17T06:37:32	CC_BY_NC_4_0	Merav Vonshak	Merav Vonshak	NaN	NaN	2021-12-08T06:09:54.326Z	StillImage	COORDINATE_ROUNDED
2	3415771696	50c9509d-22c7-4a22-a47d-8c48425ef4a7	https://www.inaturalist.org/observations/88766024	Animalia	Chordata	Mammalia	Chiroptera	Phyllostomidae	Artibeus	Artibeus jamaicensis	...	Yuzefovich Alexander	2021-07-27T06:38:03	CC_BY_NC_4_0	Alex Castelein	Alex Castelein	NaN	NaN	2021-12-08T05:05:13.398Z	StillImage	COORDINATE_ROUNDED
3	3415765386	50c9509d-22c7-4a22-a47d-8c48425ef4a7	https://www.inaturalist.org/observations/36722404	Animalia	Chordata	Mammalia	Chiroptera	Phyllostomidae	Uroderma	Uroderma bilobatum	...	Jay	2019-12-17T22:12:20	CC_BY_NC_4_0	Jay	Jay	NaN	NaN	2021-12-08T04:59:02.428Z	StillImage	COORDINATE_ROUNDED
4	3415753400	50c9509d-22c7-4a22-a47d-8c48425ef4a7	https://www.inaturalist.org/observations/39440952	Animalia	Chordata	Mammalia	Chiroptera	Emballonuridae	Rhynchonycteris	Rhynchonycteris naso	...	Jakob Fahr	2020-03-02T08:06:42	CC_BY_NC_4_0	Ben Zerante	Ben Zerante	NaN	NaN	2021-12-08T05:48:47.800Z	StillImage	COORDINATE_ROUNDED
...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...
13184	45849434	847e2306-f762-11e1-a439-00145eb45e9a	urn:catalog:LSUMZ:Mammals:12726	Animalia	Chordata	Mammalia	Chiroptera	Phyllostomidae	Anoura	Anoura geoffroyi	...	NaN	NaN	CC0_1_0	NaN	Gardner, Alfred L.	NaN	NATIVE	2021-12-02T03:54:15.435Z	NaN	INSTITUTION_COLLECTION_MISMATCH
13185	45849433	847e2306-f762-11e1-a439-00145eb45e9a	urn:catalog:LSUMZ:Mammals:12725	Animalia	Chordata	Mammalia	Chiroptera	Phyllostomidae	Anoura	Anoura geoffroyi	...	NaN	NaN	CC0_1_0	NaN	Gardner, Alfred L.	NaN	NATIVE	2021-12-02T03:54:15.435Z	NaN	INSTITUTION_COLLECTION_MISMATCH
13186	45849432	847e2306-f762-11e1-a439-00145eb45e9a	urn:catalog:LSUMZ:Mammals:12724	Animalia	Chordata	Mammalia	Chiroptera	Phyllostomidae	Anoura	Anoura geoffroyi	...	NaN	NaN	CC0_1_0	NaN	Gardner, Alfred L.	NaN	NATIVE	2021-12-02T03:54:15.437Z	NaN	INSTITUTION_COLLECTION_MISMATCH
13187	45849431	847e2306-f762-11e1-a439-00145eb45e9a	urn:catalog:LSUMZ:Mammals:12723	Animalia	Chordata	Mammalia	Chiroptera	Phyllostomidae	Anoura	Anoura geoffroyi	...	NaN	NaN	CC0_1_0	NaN	Gardner, Alfred L.	NaN	NATIVE	2021-12-02T03:54:15.436Z	NaN	INSTITUTION_COLLECTION_MISMATCH
13188	45849415	847e2306-f762-11e1-a439-00145eb45e9a	urn:catalog:LSUMZ:Mammals:10637	Animalia	Chordata	Mammalia	Chiroptera	Phyllostomidae	Anoura	Anoura geoffroyi	...	NaN	NaN	CC0_1_0	NaN	Arnold, Keith A.	NaN	NATIVE	2021-12-02T03:54:15.457Z	NaN	COORDINATE_REPROJECTED;INSTITUTION_COLLECTION_...

13189 rows × 50 columns

Polígonos de ASP

# Carga de registros de presencia de murciélagos en un dataframe de pandas

asp = gpd.read_file("https://github.com/pf3311-cienciadatosgeoespaciales/2021-iii/raw/main/contenido/b/datos/asp.geojson")

asp

	id	codigo	nombre_asp	cat_manejo	estatus	siglas_cat	nombre_ac	siglas_ac	descripcio	a_creacion	n_creacion	normativa	area	area_km	version	geometry
0	areas_silvestres_protegidas.1	A01	Montes Submarinos	Area Marina de Manejo	Estatal	AMM	Marina Cocos	ACMC	Area Marina de Manejo	2011	DE_36452	None	9.592623e+09	9.592623e+07	2019-11-19-001	POLYGON ((-87.00000 6.13333, -86.43333 5.73333...
1	areas_silvestres_protegidas.2	A02	Cabo Blanco	Area Marina de Manejo	Estatal	AMM	Area de Conservacion Tempisque	ACT	Area Marina de Manejo	1963	Ley_10	None	8.247806e+08	8.247806e+06	2019-11-19-001	POLYGON ((-85.14336 9.59649, -85.14332 9.59643...
2	areas_silvestres_protegidas.3	B01	Alberto Manuel Brenes	Reserva Biologica	Estatal	RB	Area de Conservacion Central	ACC	Area terrestre protegida	1993	Ley_7354	None	7.800440e+07	7.800440e+05	2019-11-19-001	POLYGON ((-84.63388 10.18202, -84.64167 10.177...
3	areas_silvestres_protegidas.4	B03	Isla Guayabo	Reserva Biologica	Estatal	RB	Area de Conservacion Tempisque	ACT	Isla	1973	DE_2858_A	None	6.268092e+04	6.268092e+02	2019-11-19-001	POLYGON ((-84.87710 9.91109, -84.87737 9.91086...
4	areas_silvestres_protegidas.5	B04	Isla Pajaros	Reserva Biologica	Estatal	RB	Area de Conservacion Pacifico Central	ACOPAC	Isla	1976	DE_ 5963_A	None	3.211583e+04	3.211583e+02	2019-11-19-001	POLYGON ((-84.99674 10.09266, -84.99696 10.092...
...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...
167	areas_silvestres_protegidas.168	Z31	Quebrada Rosario	Zona Protectora	Estatal	ZP	Area de Conservacion Central	ACC	Area terrestre protegida	1997	DE_ 26297_MINAE	None	4.292695e+05	4.292695e+03	2019-11-19-001	POLYGON ((-84.07619 9.70425, -84.07689 9.70374...
168	areas_silvestres_protegidas.169	P10	Santa Rosa	Parque Nacional	Estatal	PN	Area de Conservacion Guanacaste	ACG	Isla	1966	Ley_3694	None	3.230258e+06	3.230258e+04	2019-11-19-001	MULTIPOLYGON (((-85.87565 10.84304, -85.87571 ...
169	areas_silvestres_protegidas.170	V25	Bahia Junquillal	Refugio Nacional de Vida Silvestre	Estatal	RVS	Area de Conservacion Guanacaste	ACG	Isla	1995	DE_ 23867_MIRENEM	None	1.836792e+05	1.836792e+03	2021-08-20-001	MULTIPOLYGON (((-85.73360 10.95775, -85.73329 ...
170	areas_silvestres_protegidas.171	P18	Internacional La Amistad	Parque Nacional	Estatal	PN	Area de Conservacion La Amistad Pacifico	ACLAP	Area terrestre protegida	1982	DE_13324_A	None	1.982896e+09	1.982896e+07	2019-11-19-001	MULTIPOLYGON (((-82.85282 9.01273, -82.85414 9...
171	areas_silvestres_protegidas.172	B09	Bicentenario de la República - Pájaro Campana	Reserva Biologica	Estatal	RB	Area de Conservacion La Amistad Pacifico	ACLAP	Area terrestre protegida	2021	DE_42615_MINAE	None	5.082743e+07	5.082743e+05	2021-08-21-001	POLYGON ((-82.77351 8.94507, -82.81050 8.95856...

172 rows × 16 columns

Visualización preliminar

Mapa interactivo de puntos agrupados (clusters)

# Creación del mapa base
m = folium.Map(location=[9.6, -84.2], tiles='CartoDB positron', zoom_start=8)


# Capa de ASP
folium.GeoJson(data="https://github.com/pf3311-cienciadatosgeoespaciales/2021-iii/raw/main/contenido/b/datos/asp.geojson", 
               name="ASP").add_to(m)


# Capa de registros de presencia de murciélagos agrupados
mc = MarkerCluster()
for idx, row in murcielagos.iterrows():
    if not math.isnan(row['decimalLongitude']) and not math.isnan(row['decimalLatitude']):
        mc.add_child(Marker([row['decimalLatitude'], row['decimalLongitude']], popup=row['species']))
m.add_child(mc)

# Control de capas
folium.LayerControl().add_to(m)

# Despliegue del mapa
m

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Mapa interactivo de calor (heatmap)

# Creación del mapa base
m = folium.Map(location=[9.6, -84.2], tiles='CartoDB dark_matter', zoom_start=8)


# Capa de ASP
folium.GeoJson(data="https://github.com/pf3311-cienciadatosgeoespaciales/2021-iii/raw/main/contenido/b/datos/asp.geojson", 
               name="ASP").add_to(m)


# Capa de calor de registros de presencia de murciélagos
HeatMap(data=murcielagos[['decimalLatitude', 'decimalLongitude']], radius=10).add_to(m)

# Control de capas
folium.LayerControl().add_to(m)

# Despliegue del mapa
m

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Cálculo de la cantidad de especies por ASP

Conversión del dataframe de murciélagos a geodataframe

murcielagos = gpd.GeoDataFrame(murcielagos, 
                               geometry=gpd.points_from_xy(murcielagos.decimalLongitude, murcielagos.decimalLatitude))

# Join espacial de las capas de ASP y registros de presencia de murciélagos

asp_contienen_murcielagos = asp.sjoin(murcielagos, how="left", op="contains")

# Conteo de especies en cada ASP
asp_especies = asp_contienen_murcielagos.groupby("id").species.nunique()
asp_especies = asp_especies.reset_index() # para convertir la serie a dataframe

asp_especies.rename(columns = {'species': 'cantidad_especies_murcielagos'}, inplace = True)

asp_especies

/home/mfvargas/miniconda3/envs/pf3311/lib/python3.10/site-packages/IPython/core/interactiveshell.py:3457: FutureWarning: The `op` parameter is deprecated and will be removed in a future release. Please use the `predicate` parameter instead.
  exec(code_obj, self.user_global_ns, self.user_ns)
/home/mfvargas/miniconda3/envs/pf3311/lib/python3.10/site-packages/geopandas/geodataframe.py:1938: UserWarning: CRS mismatch between the CRS of left geometries and the CRS of right geometries.
Use `to_crs()` to reproject one of the input geometries to match the CRS of the other.

Left CRS: EPSG:4326
Right CRS: None

  return geopandas.sjoin(left_df=self, right_df=df, *args, **kwargs)

	id	cantidad_especies_murcielagos
0	areas_silvestres_protegidas.1	0
1	areas_silvestres_protegidas.10	0
2	areas_silvestres_protegidas.100	0
3	areas_silvestres_protegidas.101	2
4	areas_silvestres_protegidas.102	0
...	...	...
167	areas_silvestres_protegidas.95	1
168	areas_silvestres_protegidas.96	0
169	areas_silvestres_protegidas.97	0
170	areas_silvestres_protegidas.98	1
171	areas_silvestres_protegidas.99	0

172 rows × 2 columns

Salidas

Tabular

# Join para agregar la columna con el conteo a la capa de ASP
asp_especies = asp_especies.join(asp.set_index('id'), on='id', rsuffix='_b')

asp_especies[["nombre_asp", "cantidad_especies_murcielagos"]].sort_values("cantidad_especies_murcielagos", ascending=[False])

	nombre_asp	cantidad_especies_murcielagos
51	Golfo Dulce	54
25	Arenal Monteverde	31
111	Palo Verde	29
5	La Selva	27
129	Barra del Colorado	27
...	...	...
56	Humedal Laguna Madrigal	0
55	Rio Oro	0
54	Preciosa Platanares	0
53	Punta Rio Claro	0
171	Montana de El Tigre	0

172 rows × 2 columns

Gráfica

asp_especies_grafico = asp_especies[["nombre_asp", "cantidad_especies_murcielagos"]].sort_values("cantidad_especies_murcielagos", ascending=[False]).head(15)


# Graficación
asp_especies_grafico.plot(x='nombre_asp', 
                          y='cantidad_especies_murcielagos', 
                          kind='bar', 
                          figsize=(20,10), 
                          color='red')

# Título y leyendas en los ejes
plt.title('Cantidad de especies de murciélagos por ASP', fontsize=20)
plt.xlabel('ASP', fontsize=16)
plt.ylabel('Cantidad de especies', fontsize=16)

Text(0, 0.5, 'Cantidad de especies')

Geoespacial

# Creación del mapa base
m = folium.Map(location=[9.8, -84], tiles='CartoDB positron', zoom_start=8)

folium.Choropleth(
    name="Cantidad de especies en ASP",
    geo_data=asp,
    data=asp_especies,
    columns=['id', 'cantidad_especies_murcielagos'],
    bins=8,
    key_on='feature.properties.id',
    fill_color='Reds', 
    fill_opacity=0.5, 
    line_opacity=1,
    legend_name='Cantidad de especies de murciélagos',
    smooth_factor=0).add_to(m)

# Control de capas
folium.LayerControl().add_to(m)

# Despliegue del mapa
m

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